西安航空职业技术学院课程教案封皮 10 讲 / 共 20

教学项目

隐函数与参数方程导数

授课地点

多媒体教室

授课形式

线下教学

学情分析

经过前九个课时的学习,学生已系统掌握了导数的概念、基本求导法则以及各类初等函数的导数公式,包括四则运算法则、复合函数链式法则等。

从第9课(导数概念与运算法则)的课堂测验和课后作业反馈来看:(1)学生能够熟练运用基本求导公式和四则运算法则求导;(2)复合函数链式法则的掌握率约为80%,部分学生在多层复合时仍会出错;(3)学生已经建立了较好的求导运算能力基础。

本节课将从显函数求导拓展到隐函数求导和参数方程求导。隐函数求导法不需要将 y 解出为 x 的显式函数,而是利用链式法则对方程两边同时求导;对数求导法是隐函数求导法的一个重要应用;参数方程的导数则是将参数方程描述的曲线的切线斜率用参数来表达。这三种方法都是链式法则的深入应用,与前面所学知识联系紧密。

根据教学计划,本课时为第19-20学时(累计20学时),下一课将学习高阶导数。

教学目标

知识目标:

(1)理解隐函数的概念,区分显函数与隐函数;

(2)掌握隐函数求导法——对方程 F(x,y)=0 两边关于 x 求导,利用链式法则处理含 y 的项,解出 dydx

(3)掌握对数求导法——对 y=u(x)v(x) 等复杂函数,两边取对数后再求导;

(4)掌握参数方程的导数公式 dydx=ψ(t)ϕ(t),能够对参数方程求一阶导数和二阶导数;

(5)能够运用上述方法求解典型曲线(圆、椭圆、摆线等)上某点的切线方程。

能力目标:

(1)培养灵活运用链式法则处理不同类型求导问题的能力;

(2)培养根据函数表达形式选择合适求导方法的判断能力;

(3)提升从参数方程出发计算几何量(切线斜率等)的综合运算能力。

素质目标:

(1)通过隐函数求导法的学习,体会数学中化归思想——不必解出再求导,直接在方程层面操作;

(2)通过参数方程的导数,感受不同数学表达形式之间的内在统一性;

(3)通过摆线等曲线的求导实例,感受数学曲线之美及求导工具的威力。

教学重点

1. 隐函数求导法 掌握对方程 F(x,y)=0 两边关于 x 求导的操作流程。核心是「视 y 为 x 的函数」,对含 y 的项应用链式法则。例如 d(y^2)/dx = 2y(dy/dx),d(xy)/dx = y + x(dy/dx)。最后从等式中解出 dy/dx,结果通常同时含 x 和 y。

2. 对数求导法 适用于幂指函数 y = u(x)^{v(x)} 和乘除形式复杂的函数。先取对数化乘除为加减,再利用隐函数求导法求 dy/dx。这是隐函数求导法最重要的应用之一。

3. 参数方程的导数公式 掌握 dy/dx = (dy/dt)/(dx/dt) 的推导原理和计算方法。对参数方程 x = phi(t),y = psi(t),分别对 t 求导再相除。理解二阶导数的计算方法。

4. 典型曲线上的切线方程 综合运用隐函数求导或参数方程求导,计算圆、椭圆、摆线等曲线上某点的切线斜率,进而写出切线方程。

教学难点

及应对

难点:

1. 隐函数求导中链式法则的正确应用——学生容易忘记 y 是 x 的函数,在对含 y 的项求导时遗漏 dy/dx 因子。例如将 d(y^2)/dx 错写为 2y 而非 2y(dy/dx);

2. 对数求导法中左端的处理——对 lny 求导得 1y dydx,部分学生会忽略 (1/y) 因子或忘记最后回代 y;

3. 参数方程二阶导数的计算——d^2y/dx^2 不是 (d^2y/dt^2)/(d^2x/dt^2),学生容易犯此错误。正确的做法是先求 dy/dx 关于 t 的导数再除以 dx/dt;

4. 隐函数求导结果的化简——结果中同时含 x 和 y,学生不习惯这种形式,有时会尝试将 y 用 x 表示,但这往往是不必要的甚至是做不到的。

应对策略:

1. 在每次对含 y 的项求导时,明确标注“y 是 x 的函数”,反复强调链式法则的应用,建立操作习惯;

2. 对数求导法按固定步骤操作:取 ln → 求导 → 解出 dy/dx → 回代 y,逐步不跳步;

3. 参数方程二阶导数通过公式推导明确其结构,并设计对比题帮助学生辨别正误;

4. 明确告诉学生:隐函数求导的结果含 x 和 y 是正常的、允许的。

教学资源

多媒体课件(PPT)、板书

教学图片:隐函数概念图、隐函数求导步骤图、对数求导法流程图、参数方程曲线图、参数方程求导原理图、知识总结图

课堂练习题(配套习题)

教学方法

讲授法:系统讲解隐函数求导法、对数求导法和参数方程导数的原理与操作

启发法:从"圆的方程 x^2+y^2=1 如何求 dy/dx"引出隐函数求导的需求

对比法:将显函数求导与隐函数求导进行对比,突出隐函数求导法的优势

图示法:利用曲线图和流程图帮助学生理解参数方程和求导步骤

练习法:讲练结合,每个核心知识点后安排针对性课堂练习

教学反思

本节课是导数应用的重要拓展课,从显函数求导拓展到隐函数求导和参数方程求导。从课堂表现来看,隐函数求导法的操作步骤学生接受较好,但链式法则的准确应用仍需强化练习;对数求导法学生觉得巧妙,但在回代步骤容易遗漏;参数方程的导数公式理解顺畅,二阶导数的计算是主要难点。下节课将学习高阶导数的概念与计算方法。

授课教师

(签字)

教研室主任

(签字)

教学单位审查意见

教学过程

主要教学内容及步骤

设计意图

第一节课

知识讲解(35 min)

一、引入——从显函数到隐函数(10分钟)

【教师】同学们,前面我们学习了各种显函数的求导方法——y = f(x) 的形式,y 直接用 x 的表达式表示。但在数学和实际问题中,经常遇到 y 和 x 的关系不是显式给出的,而是由一个方程隐含地确定的。

隐函数的概念

定义 如果方程 F(x,y)=0 在某个区间上能确定 y 是 x 的函数 y = y(x),则称 y 为由方程 F(x,y)=0 所确定的隐函数。

例如:

x2+y2=1 —— 确定了 y 关于 x 的隐函数。在上半圆上,y=1-x2;在下半圆上,y=-1-x2

ey+xy-1=0 —— 无法用初等函数将 y 显式表示为 x 的函数。

【教师】对于第一个例子,虽然可以解出 y,但对于第二个例子就很困难了。那么,我们能不能不解出 y,直接求 dy/dx 呢?答案是肯定的——这就是隐函数求导法。

二、隐函数求导法(15分钟)

方法核心:将方程 F(x,y)=0 两边同时对 x 求导,其中视 y 为 x 的函数,对含 y 的项使用链式法则,然后从得到的等式中解出 dy/dx。

例1 求由方程 x2+y2=1 所确定的隐函数的导数 dydx

方程两边对 x 求导:

2x+2y dydx=0

注意:y2 求导时,由链式法则得 2y dydx(而不是 2y)。

解出 dydx

dydx=-xyy 0)。

【教师】结果中同时含有 x 和 y,这是隐函数求导的正常情况。如果需要,可以将 y 的表达式代回得到只含 x 的结果。

例2 求由方程 ey+xy-1=0 所确定的隐函数的导数。

方程两边对 x 求导:

ey dydx+y+x dydx=0

说明:(1) 对 ey 求导得 ey dydx(复合函数链式法则);(2) 对 xy 求导用乘法法则得 y+x dydx

将含 dydx 的项移到一边:

(ey+x) dydx=-y

解出:

dydx=-yey+x

例3 求由方程 x3+y3-3xy=0 所确定的隐函数的导数(笛卡尔叶形线)。

方程两边对 x 求导:

3x2+3y2 dydx-3(y+x dydx)=0

整理:

3x2+3y2dydx-3y-3xdydx=0

(3y2-3x)dydx=3y-3x2

解出:

dydx=y-x2y2-x

y2 x)。

三、对数求导法(10分钟)

方法核心:先对等式两边取自然对数 ln,利用对数性质将乘除、乘方化为加减,然后两边对 x 求导,最后解出 dy/dx 并回代 y。

适用场景:

(1)幂指函数 y=u(x)v(x)(底数和指数都是 x 的函数);

(2)多个因式的连乘、连除或含复杂乘方的函数。

例4 y=xsinx(x > 0)的导数。

两边取对数:

lny=sinx lnx

两边对 x 求导:

1y dydx=cosx lnx+sinx 1x

解出并回代 y:

dydx=xsinx(cosx lnx+sinxx)

例5 y=x x-1(x+1)3(x > 1)的导数。

两边取对数:

lny=lnx+12ln(x-1)-3ln(x+1)

两边对 x 求导:

1y dydx=1x+12(x-1)-3x+1

解出并回代 y:

dydx=x x-1(x+1)3(1x+12(x-1)-3x+1)

【教师】如果不用对数求导法,要对这样的乘除式直接求导会非常繁琐。对数求导法将乘除化为加减,大大简化了运算。

从圆的方程出发,让学生直观理解隐函数的概念——不是所有函数关系都能写成 y = f(x) 的显式形式。

系统讲解隐函数求导法的三步流程:两边对 x 求导→展开整理→解出 dy/dx。

例1(圆)结构简单,帮助学生建立隐函数求导的基本操作模式。

例2(含指数函数)展示更复杂的隐函数求导,强化链式法则的应用。

例3(笛卡尔叶形线)综合考查链式法则和乘法法则在隐函数求导中的配合。

对数求导法作为隐函数求导法的重要应用,通过例4(幂指函数)和例5(复杂乘除式)展示其在简化运算中的显著优势。

课堂测验

10 min)

【教师】下面做两道练习题,巩固隐函数求导法和对数求导法。

练习1:求由方程 y2-2xy+9=0 确定的隐函数的导数 dydx

方程两边对 x 求导:

2y dydx-2(y+x dydx)=0

展开:

2ydydx-2y-2xdydx=0

(2y-2x)dydx=2y

解出:

dydx=yy-x

y x)。

练习2:用对数求导法求 y=xx(x > 0)的导数。

两边取对数:

lny=xlnx

两边对 x 求导:

1y dydx=lnx+x 1x=lnx+1

解出并回代:

dydx=xx(lnx+1)

【教师】讲评要点:练习1中对 2xy 求导要用乘法法则,不能遗漏。练习2是幂指函数 x^x 的经典例子,对数求导法让这个看似困难的问题变得简单。

练习1训练标准的隐函数求导操作,重点考查对乘积项 xy 的正确求导。

练习2训练对数求导法的完整流程:取对数→求导→解出→回代。

讲评中强调常见错误点,帮助学生建立正确的操作习惯。

第二节课

知识讲解

30 min)

四、参数方程的导数(15分钟)

【教师】下面我们学习另一种重要的求导方法——参数方程的导数。许多曲线用参数方程来描述比用 y = f(x) 更方便。

参数方程的概念

曲线用参数方程表示:

x=ϕ(t), y=ψ(t)

参数 t 在某区间上变化时,(x, y) 在曲线上运动。如摆线(旋轮线)、椭圆等都有自然的参数方程表示。

参数方程的导数公式

设参数方程 x=ϕ(t)y=ψ(t),且 ϕ(t) 0,则:

dydx=dy/dtdx/dt=ψ(t)ϕ(t)

推导:由链式法则,dydx=dydt dtdx=dy/dtdx/dt。这里利用了反函数求导 dtdx=1dx/dt

例6 求椭圆 x=acost, y=bsint 上参数 t 对应点处的切线斜率。

dxdt=-asint, dydt=bcost

dydx=bcost-asint=-ba costsint=-bacott

t=π4 时:

dydx\bigg|t=π/4=-ba

例7 摆线 x=a(t-sint), y=a(1-cost),求 dydxd2ydx2

一阶导数:

dxdt=a(1-cost), dydt=asint

dydx=asinta(1-cost)=sint1-cost

利用半角公式化简:sint=2sint2cost21-cost=2sin2t2

dydx=2sint2cost22sin2t2=cost2sint2=cott2

二阶导数:

公式 d2ydx2=ddt(dydx)dxdt

先求 ddt(cott2)=-12csc2t2,再除以 dxdt=a(1-cost)=2asin2t2

d2ydx2=-12csc2t22asin2t2=-14asin4t2

注意:二阶导数 d2ydx2 d2y/dt2d2x/dt2!这是初学者最常犯的错误。正确做法是先求 dy/dx 关于 t 的导数,再除以 dx/dt。

五、应用例题(15分钟)

例8 求椭圆 x=3cost, y=2sintt=π4 处的切线方程。

切点坐标:

x0=3cosπ4=322, y0=2sinπ4=2

切线斜率(由例6的结论):

dydx\bigg|t=π/4=-23cotπ4=-23

切线方程:

y-2=-23(x-322)

整理得:

y=-23x+22

例9 求由方程 x2+y2=25 确定的隐函数在点 (3, 4) 处的切线方程。

由隐函数求导法:

2x+2ydydx=0 dydx=-xy

在点 (3, 4) 处:

dydx\bigg|(3,4)=-34

切线方程:

y-4=-34(x-3)

3x+4y=25

例10 已知摆线 x=a(t-sint), y=a(1-cost),求 t=π2 处的切线方程。

切点坐标:

x0=a(π2-1), y0=a

切线斜率(由例7的结论):

dydx\bigg|t=π/2=cotπ4=1

切线方程:

y-a=1 (x-a(π2-1))

y=x+a(2-π2)

参数方程的导数从概念引入开始,先展示摆线和椭圆的参数方程,建立直观认识。

公式推导简洁清晰,强调链式法则是参数方程求导的理论基础。

例6(椭圆)结构简单,帮助学生建立参数方程求导的基本操作。

例7(摆线)展示一阶导数和二阶导数的完整计算过程,特别强调二阶导数的正确计算方法,提醒常见错误。

应用例题综合运用隐函数求导和参数方程求导来求切线方程,帮助学生看到这些方法的实际用途。

例8-例10分别代表三种不同的曲线类型,覆盖面广。

课堂测验

10 min)

【教师】下面做两道练习,检验大家对参数方程导数和综合应用的掌握。

练习3:已知参数方程 x=t2, y=t3,求 dydxd2ydx2

一阶导数:

dxdt=2t, dydt=3t2

dydx=3t22t=3t2

二阶导数:

ddt(3t2)=32

d2ydx2=3/22t=34t

练习4:求由方程 x2+xy+y2=3 确定的隐函数在点 (1, 1) 处的切线方程。

方程两边对 x 求导:

2x+y+xdydx+2ydydx=0

(x+2y)dydx=-(2x+y)

dydx=-2x+yx+2y

在点 (1, 1) 处:

dydx\bigg|(1,1)=-2+11+2=-1

切线方程:

y-1=-(x-1)

y=-x+2

【教师】讲评要点:练习3的二阶导数要注意先对 dy/dx = 3t/2 关于 t 求导得 3/2,再除以 dx/dt = 2t,不能直接用 (d^2y/dt^2)/(d^2x/dt^2)。练习4综合了隐函数求导和切线方程,注意对 xy 用乘法法则。

练习3训练参数方程一阶和二阶导数的计算,强调二阶导数的正确操作方法。

练习4训练隐函数求导的综合应用——从求导到求切线方程的完整流程。

讲评环节帮助学生辨别二阶导数计算的常见错误。

课堂小结

5 min)

【教师】总结本节课的核心内容:

一、隐函数求导法:

方程 F(x,y)=0 → 两边对 x 求导(视 y 为 x 的函数)→ 解出 dydx

关键:对含 y 的项必须使用链式法则,乘以 dydx。结果可以同时含 x 和 y。

二、对数求导法:

适用于幂指函数 y=u(x)v(x) 和复杂乘除式。

步骤:取 ln → 两边对 x 求导 → 解出 dy/dx → 回代 y。

三、参数方程的导数:

一阶: dydx=ψ(t)ϕ(t)

二阶: d2ydx2=(dydx)tϕ(t)

切记:d2ydx2 ψ′′(t)ϕ′′(t)

四、方法选择指南:

(1)显式函数 y = f(x) → 直接求导;

(2)隐式方程 F(x,y) = 0 → 隐函数求导法;

(3)幂指函数或复杂乘除式 → 对数求导法;

(4)参数方程 x = phi(t), y = psi(t) → 参数方程导数公式。

五、作业布置:

(1)隐函数求导练习(3题);

(2)对数求导法练习(2题);

(3)参数方程求导练习(含二阶导数,2题);

(4)求曲线上某点的切线方程(综合题,2题)。

六、预习:

下节课学习高阶导数——如何求函数的二阶、三阶乃至 n 阶导数。请提前思考:如果已知 y = sin x,那么 y''、y'''、y^{(4)} 分别是什么?有什么规律?

系统总结三种求导方法的适用场景、操作步骤和关键要点。

通过知识总结图帮助学生建立完整的知识框架。

给出方法选择指南,帮助学生在面对不同类型问题时快速选择正确的方法。

特别强调参数方程二阶导数的易错点,防止常见错误。

分层布置作业,覆盖三种方法和综合应用。

布置预习任务,为下节课高阶导数的学习做铺垫。

教学反思

本节课是导数求导方法的重要拓展课,从显函数求导拓展到隐函数求导、对数求导法和参数方程的导数。教学效果分析如下:

(1)引入环节:从圆的方程 x^2+y^2=1 引入隐函数概念,效果良好。学生能够直观理解"一个 x 对应两个 y"的图形含义,以及"不是所有 y 都能显式表示为 x 的函数"这一事实。第二个例子 e^y+xy-1=0 让学生认识到隐函数求导法的必要性。

(2)隐函数求导法的教学:三步流程(两边求导→整理→解出)讲解清晰。例1(圆)操作简单,约90%的学生课堂练习正确完成。例2和例3的难度有所提升,主要困难在于链式法则的准确应用——约25%的学生在对含 y 的项求导时遗漏了 dy/dx 因子。建议:在板书中用醒目颜色标注每次应用链式法则的位置。

(3)对数求导法:学生普遍认为这是一个"巧妙"的方法。例4(x^{sin x})的效果很好,学生感受到了对数求导法化复杂为简单的威力。例5(复杂乘除式)的步骤较多,约70%的学生能正确完成。主要错误是忘记最后回代 y 的表达式。建议:将"四步法"口诀(取ln→求导→解出→回代)反复强调。

(4)参数方程导数:一阶导数公式 dy/dx = (dy/dt)/(dx/dt) 学生理解顺畅,椭圆和摆线的例题计算过程学生跟进较好。二阶导数是本节课最大的难点——在课堂练习中,约35%的学生错误地将 d^2y/dx^2 写成 (d^2y/dt^2)/(d^2x/dt^2)。尽管课上已经重点强调了这一错误,仍有相当比例的学生犯错。建议:增加更多二阶导数的对比练习题,帮助学生建立正确的操作模式。

(5)应用例题(切线方程)效果较好,学生能够看到求导方法的实际用途。例9(圆上某点的切线方程)的最终结果 3x+4y=25 形式优美,给学生留下了深刻印象。

(6)总体而言,本节课信息量适中,三种方法各有特色且相互联系(都以链式法则为核心)。隐函数求导和对数求导法的掌握情况较好,参数方程二阶导数需要在后续课程和习题中进一步巩固。下节课将学习高阶导数,需要用到本节课参数方程二阶导数的方法。